Den bortgångne fysikern Joseph Polchinski sa en gång att förekomsten av magnetiska monopoler är "en av de säkraste satsningarna som man kan göra om fysik som ännu inte setts." I sin jakt på dessa partiklar, som har en magnetisk laddning och förutspås av flera teorier som utökar standardmodellen, har MoEDAL-samarbetet vid Large Hadron Collider (LHC) ännu inte visat att Polchinski har rätt, men dess senaste fynd markerar ett betydande framsteg framåt.
Resultaten, rapporterade i två tidningar publicerade på arXiv preprint-server, avsevärt begränsa sökfönstret för dessa hypotetiska partiklar.
Vid LHC kunde par av magnetiska monopoler produceras i interaktioner mellan protoner eller tunga joner. Vid kollisioner mellan protoner kan de bildas från en enda virtuell foton (Drell-Yan-mekanismen) eller fusion av två virtuella fotoner (fotonfusionsmekanismen). Par av magnetiska monopoler kan också produceras från vakuumet i de enorma magnetfält som skapas i nära-miss-kollisioner med tunga joner, genom en process som kallas Schwinger-mekanismen.
Sedan MoEDAL började ta data 2012, har MoEDAL uppnått flera nyheter, bland annat genomfört de första sökningarna vid LHC efter magnetiska monopoler producerade via fotonfusionsmekanismen och genom Schwinger-mekanismen.
I den första av sina senaste studier sökte MoEDAL-samarbetet monopoler och högelektriska laddningsobjekt (HECO) producerade via Drell-Yan och fotonfusionsmekanismer. Sökningen baserades på proton-protonkollisionsdata som samlats in under körning 2 av LHC, med den fullständiga MoEDAL-detektorn för första gången.
Heldetektorn består av två huvudsystem som är känsliga för magnetiska monopoler, HECO och andra högjoniserande hypotetiska partiklar. Den första kan permanent registrera spåren av magnetiska monopoler och HECO, utan bakgrundssignaler från standardmodellpartiklar. Dessa spår mäts med optiska scanningsmikroskop vid INFN Bologna.
Det andra systemet består av ungefär ett ton fångstvolymer utformade för att fånga magnetiska monopoler. Dessa fångstvolymer – vilket gör MoEDAL till det enda kolliderexperimentet i världen som definitivt och direkt kan identifiera magnetiska monopolers magnetiska laddning – skannas vid ETH Zürich med en speciell typ av magnetometer som kallas SQUID för att leta efter eventuella fångade monopoler de kan innehålla .
I sin senaste skanning av fångstvolymerna hittade MoEDAL-teamet inga magnetiska monopoler eller HECO, men det satte gränser för massan och produktionshastigheten för dessa partiklar för olika värden på partikelspin, en inneboende form av vinkelmomentum.
För magnetiska monopoler sattes massgränserna för magnetiska laddningar från 1 till 10 gånger den grundläggande enheten för magnetisk laddning, Dirac-laddningen (gD), och förekomsten av monopoler med massor så höga som cirka 3,9 biljoner elektronvolt (TeV) uteslöts .
För HECO:er fastställdes massgränserna för elektriska laddningar från 5e till 350e, där e är elektronladdningen, och förekomsten av HECO:er med massor på upp till 3,4 TeV uteslöts.
"MoEDALs sökräckvidd för både monopoler och HECO:er gör att samarbetet kan kartlägga en stor del av det teoretiska "upptäcktsutrymmet" för dessa hypotetiska partiklar", säger MoEDALs talesperson James Pinfold.
I sin näst senaste studie koncentrerade MoEDAL-teamet på sökandet efter monopoler producerade via Schwinger-mekanismen i kollisionsdata för tunga joner tagna under körning 1 av LHC. I en unik strävan skannade den en avvecklad del av CMS-experimentets strålrör, istället för MoEDAL-detektorns fångstvolymer, på jakt efter fångade monopoler.
Återigen hittade teamet inga monopoler, men det satte de starkaste hittills massgränserna för Schwinger-monopoler med en laddning mellan 2gD och 45gD, vilket uteslöt förekomsten av monopoler med massor på upp till 80 GeV.
"Den avgörande betydelsen av Schwinger-mekanismen är att produktionen av sammansatta monopoler inte undertrycks jämfört med den av elementära monopoler, vilket är fallet med Drell-Yan och fotonfusionsprocesser", förklarar Pinfold. "Således, om monopoler är kompositpartiklar, kan denna och vår tidigare Schwinger-monopolsökning ha varit de första chanserna någonsin att observera dem."
MoEDAL-detektorn kommer snart att få sällskap av MoEDAL Apparatus for Penetrating Particles, förkortat MAPP, som gör att experimentet kan kasta ett ännu bredare nät i sökandet efter nya partiklar.
Mer information: Sök efter högjoniserande partiklar i pp-kollisioner under LHC Run-2 med Full MoEDAL-detektorn, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2311.06509
B. Acharya et al, MoEDAL söker i CMS-stråleröret efter magnetiska monopoler producerade via Schwinger-effekten, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.15682
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av CERN
